基于物元可拓法的某庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

張加家,　張發(fā)明,　黃　宇

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210098; 2.廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 南寧 530023)

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基于物元可拓法的某庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

張加家1,張發(fā)明1,黃宇2

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210098; 2.廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 南寧 530023)

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性,基于物元可拓法的基本原理和計(jì)算步驟,以某水電站庫(kù)區(qū)為例,選取地形坡度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、岸坡結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害分布、地質(zhì)災(zāi)害危害對(duì)象為評(píng)價(jià)指標(biāo),并對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行歸一量化。基于專家打分和層次分析法,確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,其中,地質(zhì)災(zāi)害危害對(duì)象指標(biāo)由專家直接賦值,以突出地質(zhì)災(zāi)害危害性。將庫(kù)區(qū)劃分為2 000 m×2 000 m規(guī)格的基本評(píng)價(jià)單元,提取各單元數(shù)據(jù),利用Excel和VBA編制評(píng)價(jià)程序,借助計(jì)算機(jī)批量評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)全部單元的危險(xiǎn)性等級(jí)。結(jié)果表明,采用物元可拓法進(jìn)行庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是有效可行的。

地質(zhì)災(zāi)害; 物元可拓法; 庫(kù)區(qū); 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

我國(guó)西南地區(qū)水能資源豐富,開發(fā)條件好,是水電工程建設(shè)的主要區(qū)域。近年來(lái),由于清潔能源需求量增長(zhǎng)強(qiáng)勁,在該地區(qū)新開工建設(shè)了一批大型、特大型水電工程,主要集中在金沙江、瀾滄江、雅礱江、大渡河、岷江和怒江等流域。受該地區(qū)特殊地域、地質(zhì)環(huán)境影響,水電建設(shè)面臨諸多困難與挑戰(zhàn)。伴隨著第四紀(jì)青藏高原的快速隆升,這一地區(qū)受到強(qiáng)烈影響,不僅塑造了高山峽谷的基本地貌形態(tài)和河谷的演變歷史,也決定了該地區(qū)地殼的內(nèi)動(dòng)力條件,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng),地震活動(dòng)規(guī)律,地殼淺表層改造,第四紀(jì)沉積、剝蝕及降雨分布,最終決定了我國(guó)西南地區(qū)與人類活動(dòng)有關(guān)的基本地質(zhì)環(huán)境。一方面,瀾滄江、怒江、金沙江等河谷強(qiáng)烈快速下切,河谷兩側(cè)高陡邊坡上大規(guī)模崩塌、滑坡屢有發(fā)生;另一方面,高地應(yīng)力環(huán)境和活動(dòng)斷裂的出現(xiàn),使地殼內(nèi)動(dòng)力條件異?；钴S,地震頻發(fā),高地應(yīng)力區(qū)由于深切卸荷形成的大型淺表生變形結(jié)構(gòu)大量出現(xiàn)[1]。

受如此活躍的地殼及外動(dòng)力因素影響,水電工程庫(kù)區(qū)內(nèi)滑坡、泥石流、山體崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),嚴(yán)重威脅水電樞紐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。因此,合理準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性,對(duì)保障水電工程建設(shè)安全、運(yùn)營(yíng)正常及庫(kù)區(qū)群眾安居樂業(yè)具有重要意義。

物元可拓法始于20世紀(jì)80年代,由蔡文首次提出[2],是研究和處理各種矛盾問題的理論方法,貫穿于自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)。近30年來(lái),物元可拓法已廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)決策、管理控制、質(zhì)量評(píng)價(jià)等諸多領(lǐng)域[3]。筆者主要探索其在某水電站庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

1　物元可拓法

利用物元可拓法進(jìn)行庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的基本思路是:首先將地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性劃分為四個(gè)等級(jí)(不危險(xiǎn)、輕危險(xiǎn)、較危險(xiǎn)和危險(xiǎn)),然后根據(jù)不同等級(jí)建立經(jīng)典物元矩陣,基于獲得的待評(píng)庫(kù)區(qū)各評(píng)價(jià)指標(biāo)建立節(jié)域矩陣,最后將評(píng)價(jià)指標(biāo)代入各等級(jí)的矩陣中進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。若評(píng)價(jià)結(jié)果與某等級(jí)的關(guān)聯(lián)度最大,則最接近于該等級(jí)[4]。

1.1待評(píng)物元

將所研究的庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性記作M,危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)記作C,M關(guān)于C的量值記作V。這里,庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性M、n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)ci和對(duì)應(yīng)的n個(gè)量值vi(i=1,2,…,n),稱為有序三元組，R=(M,ci,vi)為n維物元[3-5],表示如下:

(1)

1.2經(jīng)典域

根據(jù)物元理論,將各危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)關(guān)于每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所取的對(duì)應(yīng)量值范圍定義為經(jīng)典域[5-6],記作R0j,

Roj=(M0j,ci,v0ji)=

(2)

式中:M0j——所確定的第j(j=1,2,…,m)個(gè)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí);

v0ji——M0j關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)ci的量值范圍,v0ji=。

1.3節(jié)域

類似地,可以將危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)關(guān)于每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)ci所取的對(duì)應(yīng)量值范圍定義為節(jié)域[5-6],記作Rp,

Rp=(P,ci,vpi)=

(3)

式中:P——庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)的全體;

vp——P關(guān)于指標(biāo)ci的量值范圍,vpi=,對(duì)比經(jīng)典域和節(jié)域的定義,可以得到v0ji?vpi。

1.4關(guān)聯(lián)函數(shù)

關(guān)聯(lián)函數(shù)[3]是表示被評(píng)價(jià)事物與某評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度的函數(shù),其數(shù)值即為關(guān)聯(lián)度。針對(duì)不同性質(zhì)的評(píng)價(jià)事物選用恰當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)函數(shù)能夠更好地體現(xiàn)隸屬關(guān)系。文中選取的庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)函數(shù)為

K0j(vi)——各評(píng)價(jià)指標(biāo)vi關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度。

1.5評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

權(quán)重ai反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)體系的重要程度,科學(xué)合理地確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重將在很大程度上提高危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。常用的確定權(quán)重方法有熵值法、相關(guān)度法、直接法、層次分析法、比較矩陣法、環(huán)比評(píng)分法、模糊區(qū)間法、重要性排序法、二項(xiàng)系數(shù)加權(quán)和法、模糊子集法、交互式權(quán)系數(shù)調(diào)整法等。針對(duì)庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的特點(diǎn),文中采用專家打分法和層次分析法計(jì)算權(quán)重ai。

1.6綜合關(guān)聯(lián)度與評(píng)價(jià)等級(jí)

綜合關(guān)聯(lián)度K0j(P)是待評(píng)庫(kù)區(qū)單元的各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)j(i=1,2,…,m)的關(guān)聯(lián)度K0j(vi)的加權(quán)值,表示如下:

(5)

綜合關(guān)聯(lián)度充分考慮了隸屬關(guān)系和單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)整個(gè)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系的影響,因此最后的評(píng)價(jià)結(jié)果更接近真實(shí)情況。

若

(6)

則將待評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)單元P的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)定為等級(jí)j。

2　工程實(shí)例

2.1水電站庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害概況

某水電站位于滇西瀾滄江下游干流河段,主庫(kù)長(zhǎng)215 m。庫(kù)區(qū)地貌屬滇西縱谷山原區(qū)之中山峽谷亞區(qū),總體地勢(shì)北高南低,峰谷相對(duì)高差多大于1 000 m。庫(kù)區(qū)河谷多呈“V”字型,岸坡坡度一般為30°～45°,局部大于45°,兩岸沖溝發(fā)育,切割強(qiáng)烈。庫(kù)區(qū)三大巖類均有出露,沉積巖主要為沉積碎屑巖夾少量碳酸鹽巖;巖漿巖主要為華力西晚期至印支期花崗巖和玄武巖;變質(zhì)巖以深變質(zhì)的絹云母微晶片巖、石榴綠泥云英片巖為主。此外,河床、河漫灘、階地、沖溝及庫(kù)岸坡地帶廣泛分布有第四系堆積物。

受風(fēng)化、卸荷及構(gòu)造作用影響,庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育,主要有滑坡、危巖、崩塌、泥石流等,其中,滑坡的分布范圍廣、危害性大,庫(kù)區(qū)已發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的滑坡38個(gè),一般在砂泥巖、花崗巖和變質(zhì)巖分布區(qū)較發(fā)育。

2.2庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

與一般的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法有所不同,庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)除分析地質(zhì)災(zāi)害本身的易發(fā)性,還需評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害對(duì)水電站建筑物和庫(kù)區(qū)居民點(diǎn)的危害性,即考慮易發(fā)性和危害性兩方面的影響。結(jié)合前人研究成果和庫(kù)區(qū)野外地質(zhì)調(diào)查資料,選取地形坡度(c1)、地層巖性(c2)、地質(zhì)構(gòu)造(c3)、岸坡結(jié)構(gòu)(c4)、水文地質(zhì)條件(c5)、現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害分布(c6)、地質(zhì)災(zāi)害危害對(duì)象(c7)七個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),其中,除地質(zhì)災(zāi)害危害對(duì)象屬于地質(zhì)災(zāi)害對(duì)生命財(cái)產(chǎn)的危害性范疇,其余均為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性影響因子。

此次評(píng)價(jià)采用四級(jí)分類評(píng)價(jià)體系,為方便綜合評(píng)價(jià),對(duì)各指標(biāo)的量值進(jìn)行歸一化處理,得到各評(píng)價(jià)的量值范圍(表1),再根據(jù)歸一化指標(biāo)確定庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表1庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)量值范圍

Table 1Range of evaluation indexes on geological hazard risk in reservoir region

表2　庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Table 2Range of evaluation classification standards on geological hazard risk in reservoir region

評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不危險(xiǎn)輕危險(xiǎn)較危險(xiǎn)危險(xiǎn)c10.80～1.000.50～0.800.20～0.500～0.20c20.75～1.000.50～0.750.25～0.500～0.25c30.80～1.000.60～0.800.30～0.600～0.30c40.75～1.000.50～0.750.25～0.500～0.25c50.75～1.000.50～0.750.25～0.500～0.25c60.70～1.000.40～0.700.20～0.400～0.20c70.60～1.000.30～0.600.10～0.300～0.10

2.3各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

庫(kù)區(qū)內(nèi)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的影響程度不一,確定評(píng)價(jià)指標(biāo)和量值范圍后,還需確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià),一方面關(guān)注地質(zhì)災(zāi)害本身是否易發(fā),另一方面也要評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生是否會(huì)對(duì)附近水電設(shè)施及居民生命財(cái)產(chǎn)造成損失,如果地質(zhì)災(zāi)害即使發(fā)生,但造成的損失微乎其微,其危險(xiǎn)性程度將大大降低。為突出地質(zhì)災(zāi)害對(duì)居民點(diǎn)和工程建筑危害(地質(zhì)災(zāi)害危害性)的重要性,首先采用專家打分法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危害性兩者權(quán)重進(jìn)行賦值,權(quán)重值之和為1;然后,采用AHP層次分析法確定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性中的六個(gè)指標(biāo)的權(quán)重[7]。通過專家打分法確定的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危害性權(quán)重分別為0.60和0.40,AHP層次分析法判斷矩陣見表3。

表3地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指標(biāo)權(quán)重AHP計(jì)算結(jié)果

Table 3Calculation of weights of geological hazard susceptibility evaluation indexes through AHP

評(píng)價(jià)指標(biāo)c1c2c3c4c5c6WiWic11.000.502.000.501.500.500.760.10c22.001.004.001.003.001.001.700.24c30.500.251.000.250.750.250.420.06c42.001.004.001.003.001.001.700.24c50.670.331.330.331.000.330.570.08c62.003.004.001.003.001.002.040.28

顯然,所構(gòu)造的AHP判斷矩陣為完全一致矩陣,計(jì)算所得權(quán)重值Wi(i=1,2,…,6)是合理有效的。

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危害性權(quán)重,可以計(jì)算七個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重值ai,結(jié)果見表4。

表4庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

Table 4Weights of evaluation indexes on geological hazard in reservoir region

評(píng)價(jià)指標(biāo)c1c2c3c4c5c6c7權(quán)重0.0640.1420.0350.1420.0470.1700.400

2.4待評(píng)物元

以瀾滄江某水電站庫(kù)區(qū)影像圖為基礎(chǔ),根據(jù)庫(kù)區(qū)面積選取2 000 m×2 000 m尺寸為評(píng)價(jià)單元,對(duì)每個(gè)單元中的所有單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別量化賦值,最后得到待評(píng)物元集合。

2.5經(jīng)典域和節(jié)域

根據(jù)表2,可得到物元可拓法的經(jīng)典域R01、R02、R03、R04、R05和節(jié)域Rp,表達(dá)式如式(7)～(11)所示。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2.6危險(xiǎn)性等級(jí)

利用Excel+VBA編制物元可拓法庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)程序,將每個(gè)待評(píng)物元、經(jīng)典域和節(jié)域數(shù)據(jù)按照格式寫入表格中,然后調(diào)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行批量處理,即可得到待評(píng)單元的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)。如選取近壩庫(kù)段某評(píng)價(jià)單元,得到物元矩陣

(12)

將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入程序,所得評(píng)價(jià)結(jié)果為三級(jí),該單元地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)為較危險(xiǎn),Excel評(píng)價(jià)界面如圖1所示。

圖1　Excel+VBA危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)程序界面

2.7評(píng)價(jià)結(jié)果

利用上述評(píng)價(jià)程序?qū)θ繋?kù)區(qū)單元進(jìn)行評(píng)價(jià),根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí),分別在不同部位標(biāo)注對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)性等級(jí),最終形成庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖,部分效果見圖2。

2.8評(píng)價(jià)效果驗(yàn)證

通過后期對(duì)庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的野外調(diào)查,多數(shù)岸段的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)結(jié)果符合實(shí)際,為生產(chǎn)單位采取防治措施提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

圖2　庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)部分效果

Fig. 2Part of geological hazard risk zoning map in reservoir

3　結(jié)束語(yǔ)

筆者以地形坡度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、岸坡結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害分布、地質(zhì)災(zāi)害危害對(duì)象為評(píng)價(jià)指標(biāo),利用物元可拓法評(píng)價(jià)某庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性。結(jié)果表明,采用物元可拓法進(jìn)行庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是可行的,該方法具有計(jì)算過程簡(jiǎn)便、評(píng)價(jià)結(jié)果直觀、利于編程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)待評(píng)單元數(shù)目較多時(shí),利用VBA等編程工具編制簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)程序,可以實(shí)現(xiàn)批量處理,極大地提高了工作效率。在確定庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí),單獨(dú)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危害對(duì)象指標(biāo)賦權(quán),可以突出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生對(duì)工程設(shè)施和居民生命財(cái)產(chǎn)安全的影響,使評(píng)價(jià)結(jié)果更貼近生產(chǎn)實(shí)際,更具現(xiàn)實(shí)意義。

[1]黃潤(rùn)秋. 論中國(guó)西南地區(qū)水電開發(fā)工程地質(zhì)問題及其研究對(duì)策[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2002, 13(1): 1-5.

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(編輯荀海鑫)

Geological hazard risk evaluation based on matter-element extension in hydropower station reservoir region

ZHANGJiajia1,ZHANGFaming1,HUANGYu2

(1.School of Earth Science & Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2.Guangxi Water & Power Design Institute, Nanning 530023, China)

Aimed at an accurate evaluation of geological hazard risk in a reservoir region, this paper, based on the basic theory and calculation steps of matter-element extension and exemplified by a hydropower station reservoir area, introduces the determination and normalization of 7 evaluation indexes, such as slope gradient, formation lithology, geological structure, bank slope structure, hydrogeological condition, existing geological hazard, and objects exposed to geological hazard. The determination and normalization involve the expert estimation and AHP to determine the weights of these evaluation indexes, in the course of which, the experts’ direct assignment of object indexes of geological hazard underscores the geological hazard risk. The process consists of dividing the reservoir region into a grid of 2 000 m×2 000 m element, processing every element data, developing the evaluation program by Excel with VBA, and performing the batch evaluation of the risk level of whole unit in the reservoir region using computers. The result verifies the feasible and effective use of matter-element extension in geological hazard risk evaluation in the hydropower station reservoir.

geological hazard; matter-element extension; reservoir region; risk evaluation

2013-04-01;

2013-07-15

張加家(1990-),男,江蘇省宿豫人,碩士,研究方向:巖體結(jié)構(gòu)與工程穩(wěn)定,E-mail:blackblue@vip.qq.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.021

P642.22

1671-0118(2013)05-0491-05

A